砼衬砌渠道冻胀破坏断裂力学模型及数值模拟研究

发布时间：2015-04-24 11:57

 

【摘要】 水资源短缺已成为制约全球社会经济发展的瓶颈问题，改革开放以来，随着我国经济、社会的飞速发展，水资源供需之间的矛盾日益突出，建立节水型社会，发展节水型农业势在必行。我国是一个农业大国，在北方季节性冻土地区与多年冻土区，修建了大量的渠道防渗工程，但是由于渠道砼衬砌材料本身的缺陷及渠基冻土的冻胀作用，渠道砼衬砌的冻胀破坏非常普遍，使得衬砌渠道失去了防渗的意义，从而造成灌区维修管理费用的增加，资金投资的增大，严重影响了水利工程效益的发挥，制约着灌区渠道防渗工程的健康发展。其主要原因是多数防渗衬砌工程设计时，未考虑渠基冻胀与渠道衬砌体之间的相互作用及砼衬砌的断裂规律及其特点。因此，为了防止渠道砼衬砌体的冻胀破坏，除了研究冻胀力作用下砼衬砌渠道的受力变形，还必须研究在冻胀作用下存在初始裂纹砼衬砌板的冻胀断裂规律。本文在查阅和分析大量文献的基础上，取得了以下成果：（1）通过的恰当的简化与假设，建立起了高地下水位，弧底梯形渠道冻胀破坏力学模型，结合砼衬砌板的抗裂条件，给出了其不同位置的内力、胀裂位置等一系列计算方法，并基于此模型求出了地下水位较高时，弧底梯形渠道的水力及抗冻胀最佳断面设计参数。（2）应用线弹性断裂力学，在已有的渠道砼衬砌冻胀结构力学模型基础上，将砼衬砌板断裂看作是（Ⅰ+Ⅱ）复合型裂纹的扩展问题，建立了渠道阴坡、阳坡和渠底三个不同位置砼衬砌板的冻胀断裂力学模型，提出了适用于渠道混凝土衬砌板的冻胀断裂力学破坏准则及砼衬砌板厚度设计方法。运用此冻胀断裂力学模型可以计算出阴坡、阳坡和渠底的砼衬砌板合理厚度，实例表明，渠道砼衬砌冻胀断裂力学模型是符合工程实际的有效方法。（3）将渠道坡板与底板分别简化为受三角形分布荷载和均布荷载作用下的三点弯曲梁，利用广义断裂力学理论与冻土力学计算出了一定厚度坡板和底板下的允许冻深，建立基于断裂力学基础上的砼衬砌渠道冻胀断裂预报模型；同时将温度因素引入断裂力学模型之中，计算出了渠道衬砌体不同部位裂纹扩展的临界温度降幅，利用MATLAB编程求出出了温度降幅与应力强度因子之间的关系图，从而提出了一种不同部位砼衬砌下允许冻深计算新方法和砼衬砌初始裂纹冻胀断裂临界扩展温度的判别标准。（4）将疲劳裂纹扩展规律Paris公式引入渠道砼衬砌板研究中来，同时与冻胀断裂力学模型结合，利用断裂力学理论和方法对于渠道不同部位砼衬砌板使用寿命进行了分析，并通过扩展有限元方法，运用有限元软件ABAQUS对存在初始裂纹砼衬板在冻胀力作用下裂纹的张开过程进行了数值模拟研究，为以后的工程设计提供科学依据。 

第一章   绪论 

 

1.1  渠道抗冻胀研究意义 
水，是生命之源也是生态系统必不可少的环境要素。众所周知，我国是一个水资源比较丰富却人均占有量很少的国家，就国家水利部近些年调查的初步结果来看，我国水资源总量为 28 100 亿 m3，人均水资源占有量不足世界平均水平的四分之一，已被联合国列入全世界人均水资源为贫水的 13 个国家之一。特别是在这个人口增长速度极快、经济快速发展的 21 世纪，全球性水资源短缺，社会中，工、农业用水危机严峻，人类的生存已越来越依靠水资源，特别是在我国节水灌溉已经成为我国农业所必备的技术，对于缺水的国家和地区，如何把有限的水资源得以充分的利用，是解决水资源紧缺的重要措施，世界各国都积极采取措施保护水资源，建设节水型社会，发展节水型农业。 
我国自古到今都是一个农业大国，节水工作的重点理所当然应着眼于在农业节水上。据统计，我国农业用水量为3664.4亿 m3，占全国年用水总量的63.2%，，其中农田灌溉用水量占农业用水的 90.2%，占全国总用水量的 58.1%。从用水布局上看，由东往西，农业用水比重逐渐加大，甘肃、宁夏、新疆、内蒙古等省（自治区）农业用水占总用水量 75%以上（秦为耀 2000）。灌溉渠道工程分布面广、数量大、功能重要，与灌区群众生活和农业生产及新农村建设息息相关。提高农业用水的有效利用率，建设安全可靠的输配水渠系，对于发展节水农业，实现农业高效用水，进一步挖掘节水潜力，缓解水资源供需矛盾具有十分重要的意义（何武全 2002 ；李远华 1999）。 
新中国成立以来，国内专家通过大量的试验与理论研究发现渠道防渗衬砌是减少输水损失、提高输水效率、保护岸坡稳定、有效控制地下水位的普遍工程措施，在发展节水灌溉中占有十分重要的地位。研究表明，没有衬砌的土渠，其渗漏损失约占总引水量的 30%～60%，由此可见，渠道防渗节水潜力巨大。以内蒙古河套区为例，目前灌区引黄水量多达50 亿立方米，但灌区渠系有效利用率仅为 42%，主要是渠道渗漏造成的。根据对内蒙古河套灌区干、支、斗、农四级渠道的测试结果，渠道水利用系数由衬砌前的0.719提高到0.934，提高了 21.5%，渠道防渗后的效果非常明显。在目前和今后相当长的时间内，渠道防渗衬砌仍然是灌区主要的节水工程措施，不仅具有很大节水潜力，而且对推动西部地区农业、农村经济发展和改善生态环境将发挥极大作用（程满金等 2003）。砼衬砌适用于所有的灌溉渠道，是目前应用得最广泛的节水灌溉工程技术措施。 

虽然，渠道防渗衬砌在很大程度上提高了渠道水的利用效率，促进了节水农业的发展，但是，我国是冻土幅员辽阔，冻土地区和季节性冻土地区占国土面积的 3/5，加之我国水资源呈现南多北少的现状，众多大型灌区位于西北季节性冻土区或多年冻土区，由于不均匀冻胀作用导致衬砌体破坏是困扰灌区健康发展的一大难题。据统计全国 13 个省（市、区）存在着比较严重的渠系建筑物冻胀问题。新疆维吾尔自治区的北疆渠道工程有半数以上的混凝土干、支渠均因冻胀受到不同程度的破坏（齐吉琳等 2003）。

 

1.2  砼衬砌渠道抗冻胀研究现状 
1.2.1  渠道冻胀研究概况 
中国的冻胀研究从20世纪50年代末期开始。50年代初，由原水利部沈阳水工试验所成立了冻土研究小组和冻土试验室，开展了冻土热学和物理力学性质试验；同时，结合辽宁省大伙房水库、清河水库和黑龙江省红领巾水库等工程，进行了冻融土的渗透、抗剪强度和压缩性等室内外试验。60 年代初至 70 年代末期，防治渠道冻害问题引起了东北和西北一些科研、设计和管理部门的重视，并开始进行灌区水工建筑物冻害状况调查，建立了野外冻土观测场，开展对土的冻胀规律的研究，同时结合实际工程进行了一些抗冻害措施的试验观测。但对水工建筑物冻害破坏程度、形式、原因及冻害防治途径有了基本认识，并总结了一些如蓄水保温、桩基涂层、一字形水闸等防治冻害措施和土的某些冻胀规律。在这个时期，水库冰层膨胀推力对土坝护坡的破坏作用也引起了有关单位的重视，并采取了多种防治措施。自 20 世纪 70 年代末以来，水利工程中冻土和冻害防治研究迅速发展，1979 年在水电部科技司指导下，成立了包括我国东北、西北十余个省、市、自治区三十余个水利设计、科研、管理单位和院校参加的“水工建筑物抗冻技术科研协作组”和四十多个单位参加的“全国水工建筑物抗冻技术情报网”。到八十年代，为解决渠道防渗抗冻胀问题，国家又成立了“渠道防渗抗冻协会”和“全国渠道防渗科技情报网”，各地普遍进行了水工建筑物冻害的调查与分析，进一步肯定了我国北方冻害破坏问题的严重性。此外，各地建立了大量的野外和工程试验点，广泛深入地进行土的冻胀量、冻胀力、冰压力、冻胀机理、冻胀预报和各类工程防冻胀措施的研究，取得了大量成果和技术经验，提出了冻土工程分类、冻胀量和冻胀力的设计值和估算方法以及各类工程防冻胀破坏的有效的方法。其中不少研究成果和技术经验己经在工程设计中得到了应用，并取得了良好效果。1991年制定了“渠道防渗规范”和“渠系工程抗冻胀设计规范”，同时采用了“允许一定冻胀位移量”的工程设计标准，提出了“以适应、削减或消除基土冻胀为主，以经济实用的加强结构为辅”的防冻害原则和技术措施，与国外相比，工程造价也大大降低。 

在国外发达国家，近年来多采用“抵抗”冻胀的技术措施，用钢筋混凝土取代素混凝土，并采用砂砾料换填层、加固基础、增设排水等措施衬砌渠道，如日本现在多采用钢筋混凝土矩形渠槽加换填材料复合型式，美国、俄罗斯则多采用混凝土或钢筋混凝土大型平板型式，都能有效抵抗冻胀，防渗防冻胀效果好，但工程造价高，一次性投入过大，不适用于我国当前经济条件。因此，研究适合我国国情、经济实用、防冻胀最佳的衬砌结构型式和新材料具有重要意义，是今后发展的方向。 

 

第二章 高地下水位砼衬砌渠道冻胀破坏力学模型及应用

 

近 40 年来，众多科研单位及其专家在渠道冻胀理论和实践上进行了深入系统的研究，制定了许多相关技术规范，并取得了一系列的研究成果。在渠道断面型式上，从以前的单一梯形断面向弧底梯形渠道及U型断面过渡。与一般的梯形渠道相比，弧底梯形渠道不仅水流条件好，便于输沙；而且结构受力条件好，冻胀力分布均匀，抗冻胀性能好；同时，结构复位能力强，工程耐久性强，因而成为灌区混凝土衬砌公认的抗冻胀首选断面之一。除了断面形式的完善外，部分专家（王正中 2004）针对衬砌板的冻胀破坏机理，利用工程力学及冻土力学中的相关知识，将弧底梯形渠道看作薄壁结构，根据相关的假设建立了初步的力学模型，但是其并未考虑当地下水位较高时渠道衬砌体断面各个部位的受力特征，以及法向冻结力的作用点。为此，本章将根据相关假设对地下水位能补给到渠顶时的弧底梯形渠道的受力特征进行进一步的研究与探讨，以期为高地下水位弧底梯形渠道混凝土衬砌结构冻胀的分析计算，并通过高地下水位弧底梯形渠道冻胀力学模型结合水利最佳断面的思想计算渠道弧底梯形渠道水利最佳，抗冻胀最优的相关设计参数为实际工程中衬砌体的设计与建设提供参考。 

 

2.1  弧底梯形渠道冻胀破坏的特征 

弧底梯形混凝土衬砌渠道与一般的梯形渠道相比，不仅结构的整体性强，而且由于渠底的法向冻胀力有所减小其较梯形渠道衬砌板发生冻胀破坏可能性有所减小；但是与梯形渠道衬砌体破坏的特征相似的是，渠道混凝土衬砌底板及边坡板都是在冻胀力、冻结力、重力及底板与坡板相互约束力作用下发生破坏的，其机理非常复杂（王正中等 2008）。就渠道底板而言，冻胀力使其有上抬的趋势，两端受坡板的约束，冻胀变形呈中部大两端小，故通常是中部弯折断裂。渠坡板上部所受法向冻胀力较小，并与渠堤顶部牢固冻结在一起，主要受冻结力的约束，而下部所受法向冻胀力较大，主要受底板的约束;此时坡板上部及下部均受到约束且法向冻胀力呈上小下大分布，故导致板中下部冻胀变形较大，且通常会引起板隆起架空或弯矩大处发生断裂。这样根据力学模型计算衬砌坡板的最大弯矩作用点以及法向冻结力作用点就显的极为重要。 

 

2.2  渠道力学模型 
综上所述，弧底梯形渠道冻胀破坏机理极其复杂，且衬砌板又大多处在高次超静定非线性的结构系统下，要想建立准确的力学模型是不可能的，只有通过合理的假设和相关的力学、数学知识才能建立起完善的力学模型。 
2.2.1  基本假设及简化 
(1)冻土及混凝土衬砌板均为线弹性材料，可应用叠加原理。
(2)冻土的弹性模量远小于混凝土的弹性模量（一般为混凝土的 1/10 左右），冻土不参与衬砌板的弯曲变形，只对衬砌板施加冻胀力，并提供被动冻结约束。 

(3)渠坡衬砌板顶部基土含水量达到起始冻的胀含水量或在低温下地下水位能补给到渠顶处，渠坡顶部与基土牢固冻结为一体，坡角处受底板约束，渠坡板简化为简支梁。 

(4)渠床土体冻结前已经固结完毕，不计未冻土的压缩效应。 

(5)法向冻胀力由法向冻胀量产生，并假设坡板上的法向冻胀力沿渠坡线性分布，在坡顶为零，坡角（坡板与弧底相接处）达到最大值，弧底法向冻结力均匀分布；切向冻结力沿坡长线性分布，在坡角处达到最大值，在弧底为线性分布，中心线上为零。 

(6)通过衬砌结构整体上抬及微小侧移的变位协调，将各向冻胀力及冻结力重新调整，近似的认为外力及内力近似接近对称（王正中2004）。

在计算时要说明的是在未冻结前，坡板的重力由渠床基土及底板产生的顶推力平衡；但是当冻结后，重力由冻结力和法向冻胀力及底板的约束反力平衡。所以渠坡冻结后的内力计算不考虑重力影响。另一方面，从理论上讲渠坡上端的支承反力（法向冻结力）合力点，不可能在渠坡板顶端A点，应偏下一些，但具体位置尚无法确定，本研究中将加以说明。渠坡阴阳坡的计算简图按照相同计算，使计算更加安全。 
(1)本研究计算时是假定弧底梯形渠道混凝土衬砌不发生局部强度破坏的前提下渠道整体达到极限状态的。事实上，由于结构尺寸施工等原因，有可能使渠道未到达这个状态前就强度不足而提前破坏，所以按以上模型求解的内力是偏大偏安全的。

 (2)理论上讲，渠道坡板所受的法向冻结力的作用点是不会作用在坡板顶端的。本研究在计算时所采用的力学模型将法向冻结力简化为一个集中力来进行计算，采用局部平衡与整体平衡相结合的方法，弥补了计算上的不足。 

 

第三章 砼衬砌渠道冻胀破坏断裂力学模型及应用 ..................... 23 
3.1 砼衬砌渠道冻胀力学模型基础 ................................. 23 
3.1.1 砼衬砌渠道冻胀机理及破坏特征 ............................ 23 
3.1.2 砼衬砌渠道冻胀力学模型 ........................................ 25 
3.2 砼衬砌渠道冻胀断裂力学模型基础 .......................... 25 
3.2.1 断裂力学理论 ...................................... 25 
3.2.2 断裂力学破坏理论基础 ................................. 28 
3.3  砼衬砌渠道冻胀断裂破坏一般准则及其意义 ..................... 29 
 第四章 砼衬砌渠道冻胀断裂破坏预报模型及寿命耐久性分析 ......... 39 
4.1 渠道砼衬砌广义破坏准则 ................................ 39 
4.2 渠道砼衬砌体坡板冻胀断裂预报模型建立 ................. 40 
4.2.1 基本假设 ........................................... 40 
4.2.2 渠坡板断裂力学模型及其允许冻深 z 计算 ................. 40 
4.2.3 利用断裂力学准则计算渠坡板法向冻胀力最大值 Pmax ......... 41 
4.2.4 依据渠坡板附加压力和冻胀力来求解渠坡板附加应力系数 Ks ..... 41 
4.2.5 依据附加应力系数 Ks 求解渠坡板底部各点的允许冻深 z .......... 42 
4.3 渠道砼衬砌体底板冻胀断裂预报模型建立 ........................ 42 
第五章 渠道砼衬砌冻胀作用下裂纹开裂数值模拟研究 ............... 56 
5.1 理论模型建立 .................................................... 56 
5.1.1  基本假设 ............................................ 56 
5.1.2 本构方程 ............................................. 57 

5.1.3 裂纹模型 ........................................... 57   

 

第五章     渠道砼衬砌冻胀作用下裂纹开裂数值模拟研究 

 

寒区及季节性冻土区占我国国土面积的75%，随着经济发展及西部大开发的推进，北方灌区已成为确保我国粮食安全的重要生产基地，但其渠道输水率底一直是困扰渠道健康发展的难题，如输水渠道衬砌率不到30%，渗漏损失非常严重；即使衬砌了的渠道也因冻胀破坏使渠系输水损失近50%，灌溉用水浪费十分严重，制约着灌区健康发展及农业生产。渠道防渗抗冻胀衬砌是减少输水损失、提高输水效率、发展节水灌溉的重要措施。 
砼衬砌板属于刚性衬砌材料，截面较薄，具有较高的抗压强度，但抗拉强度较低，适应拉伸变形或不均匀变形的能力差，在冻胀力或热应力的作用下容易破坏，其衬砌板冻害一般分为5 种：表面侵蚀、鼓胀及裂缝、隆起、架空、滑塌和整体上抬。从其破坏形式可以看出，其中大多数破坏形式都是在冻胀力作用下致使其发生的破坏。近年来，国内外专家针对衬砌板破坏进行了深入的研究，并取得了一系列的研究成果（王正中 2004，2008）。但是目前衬砌体的设计中大多使用的经验方法，加之混凝土材料的重要特征之一就是它的抗拉强度很低，且在很多情况下混凝土结构是带着裂缝工作的。对于渠道砼衬砌结构，在法向冻胀力及切向冻结力共同作用下材料的初始裂纹处往往同时承受着弯曲与剪切的作用导致其发生开裂和破坏。由此看来，研究渠道砼衬砌结构存在初始裂纹时，在各种冻胀力作用下，断裂过程中裂纹的扩展方向及变形衬砌板的破坏情况是尤为关键的。 

本章在第三章渠道砼衬砌冻胀破坏断裂力学模型的基础上，采用基于 ABAQUS 软件平台的扩展有限元方法对存在初始裂纹砼衬板在各种冻胀力作用下裂纹的张开过程进行了数值模拟，为以后砼衬砌体设计提供参考。 

 

5.1 理论模型建立 
5.1.1  基本假设 
（1）渠坡衬砌板顶部基土含水量达到起始含水量或在低温下地下水位能补给到渠顶处。 
（2）砼衬砌板为线弹性材料且存在一定的初始裂纹，可应用迭加原理。 
（3）冻土的弹性模量远下雨砼衬砌板的弹性模量（一般为砼板的1/10 左右），不参与衬砌板的弯曲变形，只对衬砌施加冻胀力，并提供被动冻结约束。 

（4）坡板顶部与基土牢固冻结成一体, 坡脚处受底板约束, 坡板结构简化为简支梁。坡板顶点处沿坡面方向切向冻结力为零, 法向冻结力达到最大值; 在坡板的坡脚处切向冻结力达到最大值, 坡板上的切向冻结力沿坡长线性分布,该分布力由底板上抬产生的顶推力产生, 并与其平衡( 冻胀力为主动力而冻结力为被动力);渠底板两端受坡板铰性约束, 梯形分布法向冻胀力作用, 简化为两端简支梁。 

 

 

 

第六章 结论与展望

 

6.1 本文结论 

本文针对砼衬砌渠道，详细分析了渠道砼衬砌体中一般断裂的裂纹种类、断裂形式，国内外渠道防渗抗冻胀发展现状及存在问题，砼衬砌体渠道冻胀破坏的机理及各种断面形式渠道砼衬砌破坏特点，渠道砼衬砌体断裂力学模型建立的必要性等；然后，在已有的渠道砼衬砌冻胀结构力学模型基础上，考虑各种冻胀力的作用，依据合理的假设和简化，运用线弹性断裂力学理论，将砼衬砌板断裂看作是（Ⅰ+Ⅱ）复合型裂纹的扩展问题，建立了渠道不同部位砼衬砌体的断裂力学模型；随后将该模型的相关理论与冻土力学、土力学相关理论结合建立了渠道砼衬砌冻胀预报模型，并将预测裂纹扩展寿命的理论基础引入对于渠道砼衬砌板研究中来，将其与冻胀破坏断裂力学模型结合，利用断裂力学理论和方法对于弧底梯形渠道砼衬砌板使用寿命进行了分析，给出了砼衬砌板断裂力学寿命估算的计算公式，为以后渠道砼衬砌体设计与抗冻胀提供科学合理的分析方法。 
主要结论如下： 
（1）渠道砼衬砌体冻胀力学模型与水力最佳断面 
渠道砼衬砌冻胀破坏是由于衬砌底部各种冻胀力相互作用而导致的结果，不同的衬砌材料与衬砌结构形式抵抗冻胀破坏的能力不同，渠道断面形式由折线向曲线形式的过渡和发展，使得其水力条件更好，受力更加合理，但是对于弧底梯形渠道砼衬砌体来说当地下水位较高时其法向冻结力的作用点，各个截面的破坏位置及断面的设计参数一直是困扰着着衬砌体设计的难题，本文通过合理的简化与假设，建立起了完善的高地下水位弧底梯形渠道冻胀力学模型，估算出其破坏位置是在距渠道底部 1/5 处，这与前人的实验结果是相符合的；
（2）渠道砼衬砌体冻胀破坏断裂力学模型 渠

道砼衬砌体属于刚性材料，由于材料属性和施工等方面的原因，其本身存在着的缺陷，在未破坏前就存在着裂纹，我们把它们统称为混凝土材料的初始裂纹，又因为混凝土材料这些初始裂纹是随机分布的，渠道砼衬砌体大多数冻胀破坏，都是在各种冻胀力共同作用下随着初始裂纹的扩展而发生的断裂破坏；渠道砼衬砌体在冻胀力作用下开裂准则与断裂机理研究尚属空白，加之目前衬砌体的设计中大多使用经验的方法，从强度破坏的角度看还缺乏一个统一的强度模式和强度破坏准则,正因为没有理论指导衬砌体的设计，渠道设计不能满足防冻胀破坏的要求。

 

参考文献（略）

 

本文编号：19372